岩体风化程度的判别
1.岩体风化的基本特征
在各种风化营力作用下,岩石所发生的物理和化学变化过程称为岩石风化。
其中影响岩石风化的风化营力主要是太阳热能、水溶液(地表、地下及空气中的水)、空气(氧气及二氧化碳等)及生物有机体等。
同时按照风化营力的类型及引起岩石变化的方式,风化作用可以分为物理风化、化学风化和生物风化三种。
与原岩相比,风化使岩石发生了一系列的变化,从工程地质的角度出发,这些变化主要有以下几点:岩体结构构造发生变化,即其完整性遭到削弱和破坏;岩石矿物成分和化学成分发生变化;岩石工程地质性质恶化。
风化后的岩石在工程建筑上的优良性质削弱了,不良性质则增加了,使工程地质条件大为恶化。
2.岩石风化的判别
岩石风化程度的划分及工程特性研究,对于大型水利水电工程、高层建筑、道路桥梁等工程建基面的选择以及地基基础设计施工方案的确定起着关键性作用,对评价围岩的稳定和边坡工程亦具有重要意义。
影响岩石风化的因素有很多,其中最主要的有气候、岩性、地质构造、地形地貌和一些其他的因素。
岩石的风化往往不是单因子作用的结果,而是由多种因素所共同控制的。
目前,岩石风化程度划分多采用工程地质定性评价方法,从岩石颜色、次生矿物的发生、节理裂隙发育情况、机械破碎程度、风化深度、以及岩石的物理、力学和水理性质变化等方面综合分析确定。
关于岩石风化程度的定量评价,目前常采用的是对岩体工程地质性质比较敏感的一些物理力学性质指标,通过室内或现场测试岩石物理力学性质单项或综合指标进行风化程度分带。
由于岩石类型的千差万别,影响岩石风化因素复杂,各种岩石风化速度和风化后形态的变化也各异。
因此,很难建立岩石风化程度划分的统一、定量的标准。
岩石风化程度划分应当采用定性描述和定量指标相结合的方法,两者互为印证以积累利用定量指标划分岩石风化程度的经验。
2.1 岩石颜色
风化程度不同的岩石,在外观上首先表现为颜色的差异。
如有的原岩新鲜时为灰绿色,风化后,在风化壳剖面由上往下则变为:黄绿色、黄褐色、棕红色、红色,这是从整体看的。
从局部或某一色彩来看,颜色的变化程度也有所不同,有的仅沿岩石的裂隙面发生变化,有的仅部分岩体发生变化,有的则全部岩体均发生变化。
风化越厉害颜色越浅,随着风化作用的进行长石被风化,只剩下无色的石英,而花岗岩中的长石是肉红色的钾长石和红色的正长石。
中风化和强风化花岗岩的颜色应该都是暗灰色的,微风化是红褐色。
2.2 次生矿物的发生
不同矿物的抗风化能力是不同的。
岩石中那些不稳定的矿物总是首先风化变异,当风化作用持续进行时,稍稳定的、稳定的矿物才顺次开始发生风化,这时不稳定的矿物可能已经变得面目全非了。
即使同一矿物在不同的风化阶段所形成的新矿物也不一样。
此外,化学风化在不同时期其主要作用的化学反应是不同的。
因此,在风化壳的不同部位,具有不同的矿物共生组合,根据具体条件下风化岩石中矿物的共生组合规律,可作为岩石风化程度的判别依据。
天荒坪坝址区的流纹质品屑熔结凝灰岩中的主要品屑成份为钾长石,其含量在20%左右,粒径为0.1-0.5mm。
钾长石在风化过程中,逐渐分解为粘土类的次生矿物。
在衡量长石的次生变化程度时,可采用次生蚀变率,它是指风化长石的体积百分含量。
具体确定次生蚀变率时,首先估计标本薄片中风化长石的面积,其次估计风化长石的厚薄。
由于长石风化后粘土中吸收了氧化铁的成份,所以长石表面的明暗程度、红褐色调的变化以及正交偏光镜下的光学特性就成了长石风化厚度的分析依据。
2.3 节理裂隙发育情况
岩石在其形成过程中以及后期的地质作用下往往不可避免的会产生许多的节理和裂隙。
一方面,这些节理裂隙作为岩体的软弱面容更易受到风化作用的影响,成为风化作用的突破口以及风化最强烈的部位。
另一方面,风化作用又会进一步的扩大发展这些岩体的节理和裂隙,又为更深入的风化创造条件。
比如物理风化中的冰劈作用。
风化裂隙是岩石风化程度的一个重要判别标志。
这种微裂隙具有无方向性、
不规则发育、延伸性差、多被氧化铁充填等特点。
对强风化带岩样进行显微镜下观察,发现裂隙很发育,密集程度高,呈网状或树枝状,被红褐色氧化铁充填;在弱风化带,风化裂隙发育差,密集程度较低,局部充填氧化铁:在微风化带,这种裂隙偶尔可见,氧化铁只见点状浸染。
风化作用形成的这种裂隙和构造断裂产生的细微裂隙成因不同,且后者通常被次生石英及方解石充填。
2.4 机械破碎程度
岩体的破碎程度反映了岩体的风化程度。
随着岩石风化程度的加深,完整坚硬的岩体逐渐破碎成块石、碎石、砂粒、粉粘粒。
同样的,通过岩体的机械破碎程度可以初步的判断出岩体的风化程度。
在极地和沙漠地区,由于气候干冷,化学风化的作用不大,岩石易破碎为棱角状的碎屑.最典型的例子,是将矗立于干燥的埃及已35个世纪并保存完好的克列奥帕特拉花岗岩尖柱塔,搬移到空气污染严重的纽约城中心公园之后,仅过了75年就已面目全非。
地势起伏大的山区,风化产物易被外力剥蚀而使基岩裸露,加速风化.山坡的方向涉及到气候和日照强度,如山体的向阳坡日照强,雨水多,而山体的背阳坡可能常年冰雪不化,显然岩石的风化特点差别较大。
2.5 风化深度
风化作用往往会在岩石表面形成一层风化壳,往往越靠近原岩部分风化程度就越弱。
同时,对于同一种岩石,这种风化壳的厚度越大,即风化深度越大岩体的风化程度就越大。
风化深度是石窟等石质文物稳定性、耐久性评价和保护方案制定的重要依据之一.本文在定性观察的基础上,利用环境磁学便携式磁化率仪对云冈石窟风化砂岩进行了现场风化程度无损探测,提出了云冈石窟片状风化砂岩风化程度定量分级标准,并探测了云冈石窟龙王庙沟西侧崖壁砂岩的风化深度.认为云冈石窟片状风化砂岩风化程度分为5级,云冈石窟片状风化砂岩在风化退质过程中磁化率值具有先升高后降低的特征.龙王庙沟西侧崖壁水平钻孔ZK3、ZK6处砂岩的风化深度分别为400mm和570mm,相应的风化速度为0.26350 ~0.26882mm/a和0.37549~0.38306mm/a,离沟口直线距离对此处砂岩的风化具有控制作用.风化的主要影响因素是武周山南崖壁的卸荷裂隙十分发育,它不仅导致石窟寺岩体边坡的失稳,也为水的入渗和渗流,石雕表面盐类的运移和积聚提供了良好的通道,
更进一步加速了石雕文物的风化.建议对武周山南崖壁表面岩体进行防风化处理,并修建保护性窟檐以减小风化营力的作用。
2.6 物理、力学及水理性质变化
风化岩石水理性质及物理性质的变化,是原岩矿物成分和结构变化的综合反映。
在风化壳剖面上,由上到下这些性质变化的趋势是:(1)孔隙性和压缩性由大到小;(2)吸水性由强到弱;(3)声波速度由小到大;(4)强度由低到高。
花岗岩就可以用力学指标去判定,其它的大多数还是以经验判定。
主要还是根据各类岩石岩性,其风化后所表现出的各种特征来判定。
在江西南昌,以泥质粉砂岩为主,其强风化就表现出泥土状及碎片状,强度很低,手可折断;中风化,裂隙较发育,层面多见Fe、Me质,而且泥质成分肉眼就可感觉偏多;余下划分的基本就需靠岩石强度去调整了。
3.风化作用对生活中岩石产生的危害
石材一般长期暴露在露天,经受风吹日晒,雨雪冻融等各种自然天气变化,加或行人踩踏行走,如果施工中使用了风化程度较高的石材,经过一段时间后,此种石材将逐渐产生较大色差,发生破损断裂现象,不但影晌美观,减少使用年限,而且造成不必要的经济损失。
4.岩石风化的防治
由于岩石风化作用能降低岩石的强度,影响边坡及建筑地基的稳定。
因此,在工程商常采用措施来防止岩石的风化。
常用的方法有三种:
(1)覆盖防止风化营力入侵的材料。
防止水和空气侵入岩石,可用沥青、三合土、粘土以及喷水泥浆或者石砌护墙来覆盖岩石表面。
(2)灌注胶结和防水的材料。
提高地基的强度和稳定性,水泥、水玻璃、沥青和粘土浆是封闭和胶结岩石缝隙的好材料。
(3)整平地区,加强排水。
水是风化作用的活跃因素之一,隔绝水就能减弱岩石的风化速度。
参考文献
岩石风化程度特征指标的分析研究李日运,吴林峰
市政工程用天然石材的岩石风化程度检测宫树暑,张永强,罗振兴,孟德平
云冈石窟龙王庙沟风化砂岩风化深度与风化速度环境磁学无损探测任建光,黄继忠,王旭升。